电子束局部热处理对TC4钛合金焊接接头组织和性能的影响
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第 2卷第2 9期2 0 0 8年 2月
焊接学 报T AN A T ON F T HI A WEL I G N T T T O R S C I S O HE C N D N I S I U I N
V1 9 N. o2 o . 2F bur 2 0 era y 0 8
电子束局部热处理对 T 4钛合金 C焊接接头组织和性能的影响胡美娟，刘金合，康文军，阮成勇 (西北工业大学材料学院，安西 707 ) 10 2
摘
要：过对 1 . m厚 TA钛合金平板电子束焊接接头的局部热处理，究了电通 4 5m C研
子束局部热处理对钛合金电子束焊接接头组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明，电子束局部热处理后扫描区内的母材组织晶粒粗化长大， a相在原始口晶界处长大的同时，以层片状或针状的 a形态向晶内生长。局部热处理后冷却速度的降低使焊缝组
织中的针状马氏体在分解析出相的同时转变为a相，变短变厚的 a相相互交错排列。另外，部热处理消除了焊缝和热影响区的硬度突变。同焊后状态相比，局局部热处理后
焊接接头的整体性能沿焊缝垂直方向得到了均衡和提高，伸试样的断裂位置由焊后拉状态时的热影响区和母材的交界处转移到未经历热处理的母材区域。 关键词：局部热处理；电子束焊接； C TA钛合金；显微组织；伸性能拉中图分类号： G 5 . T 46 3 文献标识码：A 文章编号： 23 6X Z0 )2— 14 0 05—30 (0S0 00— 4
胡美娟
0序
言
4 0%[1 3
。
文献[]过对高强钢电子束焊接接头弯 4通
曲试验的研究指出局部热处理使接头性能沿焊缝垂电子束焊接 (l tnba e i,E W ) e co em wln er d g B由于能量密度高、焊缝和热影响区窄、接变形小、艺焊工参数容易精确控制以及真空焊接环境等其它焊接方法难以比拟的优势而广泛应用于航空，天及工业航制造中[2。随着电子束焊接技术的广泛应用，现 11,发
直方向得到了均衡，焊接接头和近缝区的冲击强度几乎相当。文献[] 1 I厚的铁素体不锈钢 A. 5对 01T TI I IS 1子束焊接平板工件进行局部热处理后， I 0电 4发现局
部热处理显著的降低了熔合区的显微硬度，从而推断接头的断裂韧性也得到了提高。 目前国内对于这种新的加工工艺的研究工作开
部分金属材料焊接后出现高硬度熔合区和接头应力集中等问题。焊后热处理可以对接头组织进行调
展得不多。文中针对 1 . I厚 T 4钛合金平板进 451T TI C I行了电子束焊接，电子束焊接加局部热处理试验，重点研究电子束局部热处理对 T 4钛合金平板焊接 C接头组织、度和拉伸性能的影响，工程实践中电硬为子束焊接和局部热处理这种新的集成加工工艺的应用和制定提供参考依据。
整，提高接头塑性并消除焊接过程中形成的残余应力。整体热处理需要大型或专用设备，艺过程复工杂且生产成本昂贵，且许多大型复杂结构因为各而种限制不允许或不可能进行整体热处理。
前苏联在 2 0世纪 8 O年代提出了“多功能电子束加工及集成工艺技术”概念。电子束焊接和局的部热处理 (oaha ta et Z T集成加工技术就 znl etr t n, H ) e m是在一台电子束设备上，次抽真空循环内完成焊一接及热处理两种工艺，局部热处理是通过电子枪的
1试验方法 试验材料为热轧、火态的 T 4钛合金板材，退 C
偏转线圈电路上加一电子束扫描发生器 (或重新设计一套偏转扫描系统 )实现。俄罗斯将这项技术应用于米格一3、一3先进的歼击机的制造中， 1苏 O等 部分重要部件电子束焊缝经过焊后局部热处理，残余应力降低了 6%以上，缝抗疲劳性能提高了 0焊收稿日期： 0 7 8—0 20—0 9
化学成分如表 1示。电子束焊接，所电子束焊接加局部热处理集成加工的试样尺寸均为 10 1T×10 2 I T I 2 I
1Tx1 . m。焊接前钛合金平板用砂纸去除氧化 T I 5m I 4 I膜，并用丙酮擦拭干净。
试验在 Z 10 1A高压电子束焊机上进行， D5— 5电子枪真空度为 50×1一 P,接室真空度为 60 . 0 a焊 .×1一 P。试验平板 1 0 a号沿工件中心线进行熔透焊
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第 2期
胡美娟，:等电子束局部热处理
对 TA钛合金焊接接头组织和性能的影响 C
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表 1 T 4钛合金板材化学成分 ( C质量分数， )%T be 1 Ch mia o o io f a l e c l mp st o c i n TC4 pae maeil lt t r a
局部热处理扫描区域的金相试样，镶嵌、片和抛经磨
光后， Ko试剂腐蚀。在 O Y P S P G光用 rl l LM U— M 3学显微镜下对焊缝和扫描区域的组织进行观察分析。显微硬度直接在金相试样上进行测定，载载加
5 8 3 9 o.3 18 3 .2 .9 02 .1 o.07 o. 3<0 0余量 00 0 6 .5
荷和时间分别为 20g和 1。分别制取三个母材、 0 5s 接。试验平板 2号首先进行电子束焊接，艺参数工同平板 1,焊接结束后回到焊接起始点，用圆号在采电子束焊接接头、电子束焊接加局部热处理接头的板形拉伸试样。按国家标准 G 25— 8焊接接头 B6 1 1拉伸试验方法在 CS电子万能试验机上进行室温拉 S伸试验，果取三个试样的平均值。结
波形以焊缝为对称轴进行局部热处理扫描。扫描频率为 20H, 0 z扫描区域宽度为 2 l, 0in扫描时间为 3/ la。电子束焊接和局部热处理的工艺参数如表 2 rn i所示。表 2电子束焊接和局部热处理工艺参数T be 2 P r me e s o B n _ a l a a t r fE W a d 1 T
2试验结果与分析2 1局部热处理对显微组织的影响 .
图 l出了母材和电子束焊接后焊缝和热影响给区的金相组织形貌。由图 1知，C a可 T 4钛合金母材组织为 a相和相的混合物，相分布在拉长的 a 相晶界处。电子束焊接后，口转变温度以上长大在的焊缝区原始晶粒通过切变转变生成不同位向互
利用线切割沿垂直于焊道方向制取焊接接头和
相交错的针状马氏体 a, 组织形貌如图 1示。 b所
(母材 a】
() b焊缝
( c )热影响区
图 1 T 4钛合金母材和电子束焊接接头的金相组织 C F . Mio r h f ae t tl n l t nba eldjn f C tn m ly叼 c ga so rn me dee r e m
w k i o 4ta i al .1 r p p aa co e ot T i u o
TA钛合金电子束焊接时能量高度集中在焊缝 C区，影响区非常窄，且晶粒长大也不是很明显，热并
同时转变为 a相，变厚变短的 a相相互交错排列，同时 a相还出现在原始晶粒晶界处。
从图 1 c可以看出，其组织为初始形态的 a和相， 初生口相，的针状马氏体口相的混合物。短 电子束局部热处理在焊接后立即进行，以焊对缝为中心左右 1 l区域进行扫描加热，描区 0in的/ l扫域最高加热温度约为 90o因此局部热处理在降 5 C。低焊缝金属冷却速度的同时减小了扫描区域内的温
度梯度。母材组织在扫描加热的过程中晶粒粗化长大，冷却后 a相在原始晶界处形成长大，同时由晶界处以层片状或针状的 a形态向 p晶内生长，织组
形貌如图 2所示。局部热处理没有改变粗大的原始
图 2局部热处理后经历热处理的母材金相组织 F . Mi n rp s o ae tme lu d ro g Zf lh a岣 .2 eg a h p rn t n eg i O a e t r f a n ltear e r ln nt
p相的形态，但是冷却速度的降低使焊缝组织中的针状马氏体发生了明显的分解，相在析出相的
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焊接学报a
第2 9卷
相。因此，电子束焊接后互相交错的针状马氏体
使显微硬度值在焊缝中心区域达到最大，为 36约 8
H; V从焊缝到热影响区随着针状马氏体的尺寸和数鲫 O OOOO 0OO O 鲫量逐渐减小，显微硬度值也逐渐降低；焊缝和热影在响区交界处显微硬度值陡降为 30H比焊缝和母 1 V,材区域的硬度值都小，明此部位是焊接接头中的说薄弱部位。
电子束局部热处理后焊缝区域针状马氏体分解图 3局部热处理后焊缝的金相组织F . Mio r h f l t nba w k dJi c3 j c ga so e r e m e l n r p e co e O t
析出相，缝中心的显微硬度值大幅减少到 30焊 2H v。焊缝和热影响区的硬度突变在局部热处理后基本消失，扫描区域母材的显微硬度同焊接状态相
2.局
部热处理对显微硬度的影响 2
比稍有增加。因此，部热处理使显微硬度沿焊缝局垂直方向的分布同焊后状态相比变得较为均衡，显微硬度值在 30 30H 2 5 v之间波动。 2.局部热处理对拉伸性能的影响 3
电子束焊接和热处理后显微硬度沿焊缝垂直方向的分布曲线如图 4所示。T 4 C钛合金中 a相的显微硬度约在 30~50H 0 0 v之间，相的显微硬度约
为 20 30H。钛合金中的马氏体 a是过饱和的 8— 0 v 置换固溶体，产生的晶格畸变较小，故硬度略高于
T 4钛合金母材的拉伸试样在试验过程中均断 C
裂在试样的中心位置。电子束焊接接头的拉伸试样则断裂在母材和热影响区的交界处，裂位置距焊断缝中心线的距离分别为 32 33和 33 i。局部 .,. .8ml l热处理后焊接接头拉伸试样断裂在未经历热处理的母材区域。所有拉伸试样都表现出明显的延性断裂特征，样局部出现颈缩，试最后形成典型的杯锥状失
肇 鸸l
效断面。
表3为母材，电子束焊接接头，电子束焊接加局部热处理后焊接接头的室温拉伸试验结果。针状马
氏体的存在使焊接接头的抗拉强度同母材相比仅稍有降低，头强度约为母材的 9 .%。焊接接头拉接 85图 4焊接接头电子束焊接和局部热处理后显微硬度分布曲线
伸试样的塑性低于母材，面收缩率同母材相比降断
F . Mko ad e sd tb tn( r so w k djisatr c4 j￣ h rn s ir ui 3 v f e: on f si o t e J e l t eE^ n}r ,a d 2 r
低了 1 .%。局部热处理使焊接接头的整体性能 32沿焊缝垂直方向得到均衡，试样的抗拉强度、断后伸长率、面收缩率和最大力皆高于母材。断
表 3 T 4钛合金母材和电子束焊接加局部热处理后焊接接头室温拉伸性能 C T be3 e s rp re f C tn m a yp rn metl n e ldjisatr^ a d2 r a l T ni po e i o 4t i t ae t na a dw k n f , n} r e l ts T i u a e l e o t eE
焊缝组织中的针状马氏体在分解析出相的同时
3结
论
转变为 a相，
变短变厚的 a相相互交错排列。扫描区域内的母材组织晶粒粗化长大， a相在晶界长大的同时，以层片状或针状的 a形态向晶内生长。
()℃钛合金的母材组织为 a相和相混合 1 14
物。电子束焊接后焊缝组织为长大的原始晶粒切变转变而成的针状马氏体。电子束局部热处理使
( ) C钛合金电子束焊接后显微硬度值在焊 2 T4缝中区域最高， 焊缝和热影响区的交界处显微硬
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第 2期
胡美娟，:等电子束局部热处理对 T 4钛合金焊接接头组织和性能的影响 C
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度值低于焊缝和母材，是焊接接头的薄弱部位。电 子束局部热处理消除了焊缝和热影响区交界处的硬度突变，显微硬度值在 30~30H 2 5 v之间波动。 ( ) C钛合金母材， 3 T4电子束焊接接头，电子束焊接加局部热处理后的焊接接头拉伸试样都表现为延性断裂。电子束焊接接头的强度稍低于母材，断裂位置距焊缝中心的距离约为 3 3n l电子束局 . l。 n部热处理后拉伸试样断裂在未经历热处理的母材区域，样的抗拉强度、后伸长率、面收缩率和最试断断大力皆高于母材。 参考文献：[] H agC C a ,C un 1 un ,P Y C hagTH.E et ot e etr t n fc o psw l ha e— sf— d ta
[ J Fr, a bnA, oolF netao fl tnba e i 2 er P Z m o B nl .Ivsgt n e r—emw l n o o i i oeco dg
i wogtnod76一epr et adnm r a aa s[] a n r h cn 0 u I xei n n u e cl n l i J .M— m a l i ystr sSi c n nier gA, 0 5 32 1 ) 4—15 ei c neadE gnei 20, 9 (—2:9 l a e n 0.
[]付鹏飞， 3毛智勇，刘方军 .真空电子束局部热处理技术的研究进展[]金属热处理，0 4 2 ( ) 3—3 . J. 2o, 9 8: 1 5[ Y vr o 4 ega vN N,LsnoY ,F k s v uM,e .Poets J f y k uT e tl aY e io t r re p in t c r f l dj n o i—
t t s e frz a et adsut eo e e itf m h hs g t lae nlha r u w d o sr g￣n h e t o tam n yeet nba l .M t l eei T ri eky b r tet l r em J e od ne emc saaO— e b co J l a v hr o aMe U v 9 1 3 I￣ t t o,19 ( ) 7—8 bk a .
1 S a0T ai N,Ma l D M.Eet nba e igad 5 d J I,Fbo l r o ￣l l r em w ln n co d
ps w l taans el J . orao ti s i c tr, ot ed r reto ses] Junl Ma r e e￣ts— e t t[ f f ea S n I e lc19 .1(0: 2 9 6 5 1) 87—80 3.
[]张旺峰，曹春晓， 6李兴无，等 .B热处理 T 5钛合金对力学性 A1能的影响规律[] J .稀有金属材料与工程， 0 4 3 7:78— 2 o,3 ( ) 67 0. 7
mr m山 su a es eed l I i t rias l dPrrae, 97 61: 1 6. eo n 19, () 6 - fm 8
c。 rsflt|e a rei eml a l pt 0ec m p e b
作者简介：胡美娟， 1 1生，女， 8年出博士研究生。主要从事高能 9束流加工的研究。发表论文 6篇。
wle A 10s e pa[] Junl Ma r s nier gad e d S E4 3 el le J . orao t i E g ei d t t s f ea l n n n
E mal gye a.wue .n i uu@mi np . uc: l d
[上接第 13页] 0高，始下一个燃弧周期。开
压、接电流等焊接过程信号的时频域特征，一步焊进揭示焊接过程物理现象的规律。
3结
论参考文献：
()采用改进的 Wi e—Vi分布 ( D) 1 g r i n i wV—— C o—wiiI( WD)布来描述 C 2接过程中 hi la1 C lr s分 0焊电信号的时频域特征分布，大大消除传统 Wi e可 g r n—
[]殷树言 . 0焊接设备原理与调试[ .北京：机械工业出版 1 c2 M]社， O O 2O .
Vi分布中的交叉干扰项，持较高的时频分辨 i保 ()C 2 W
D分布的五个参数，即平滑因子、窗时
[]杨春利， 2林三宝.电弧焊基础[ . M]哈尔滨：尔滨工业大学哈出版社， 03 20 .
率，同时不会增加计算量。类型、时窗长度、窗类型、窗长度， C 2接频频对 O焊
[]纪跃波，树人，宝平 . ge分布干扰项抑制及其算法 3秦汤 Wi r n[]重庆大学学报 ( J.自然科学版 ) 0 1 2 ( ) 2,20, 4 4: 6—3 . 0
[]林 4
京，曲梁生 .基于连续小波变换的信号检测与故障诊断
电信号的 C WD时频分析的效果有重要影响。利用信息熵值的计算，表明时频分布的时频分辨率和可抑制交叉项干扰的能力。 ()据信息熵最小原则，完成 C 2接电 3根可 O焊
[] J .机械工程学报， O O 3 (2: 5 0 2O, 6 1 ) 9—10.
作者简介：怡， 1 9罗男， 7年出生，助教。主要研究方向 9硕士，为焊接方法及自动化。发表论文 8。篇
信号的 C D分布的参数优化， W从而准确分析电弧电
E mal l y@c t uc i u i q. .: o ie n d
